基于单片机物联网的智能拐杖设计文档

ID:160871 · 发表于 2017-1-14 02:05

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1.1设计研究的背景及意义

1.3研究内容

二、产品介绍

2.1产品名称

2.2产品功能

2.3技术特点及优势

2.4市场分析与预测

2.5竞争优势

2.6产品开发前景

三、系统总体设计方案

3.1系统硬件方案的选择

3.1.1系统组成

3.1.2智能拐杖的基本组成

3.1.3硬件综述

3.2系统软件设计

四、具体硬件参数

4.1单片机

4.1.1参数

4.1.2性能特点

4.1.3系统作用

4.2传感器

4.3 GSM模块SIM900A

4.4 GPS模块

4.5照明模块

五、软件设计具体思路

5.1程序流程图

六、运行调试设备

6.1按电路图检查原件配置情况

6.2布线

6.3接线

6.4通电前检查

6.5通电试验

6.5.1分块调试程序

6.5.2整体调试程序

七、机遇与风险

7.1风险

7.2机遇

八、本产品存在问题与展望

附录1 实物展示图

附录2源程序

摘要：随着我国经济的发展，越来越多的人过上了幸福的小康生活，然而，我国人口老龄化趋势愈发严重，局部地区甚至呈现人口负增长的趋势。人进入衰老阶段后，器官生理功能逐渐减退，机体代谢变得缓慢，免疫机能下降，应急能力日渐减弱，极易发生摔跤的事故，轻者疼痛不已，重则骨折，甚至有时会有丧命的危险。因此拐杖应运而生，拐棍能帮助老人站立，拐棍能作为助步器帮助老人行走，拐棍还能作为有视力障碍的老人的眼睛为他们的日常生活保驾护航。因此，在当今社会，拐棍对老人的重要性不可小觑。

为保证老年人出行安全，出现意外能及时求助，通过分析远程定位系统，根据卫星定位的快速和准确性，设计了以STM32为核心处理器与传感器有机结合，实现单片机的实时控制及数据处理功能使老人的安全得到保障。

一、绪论

老年人的生理机能随着年龄的增长开始衰退。如果老年人的出行安全得不到保障，会为家人和社会带来负担。

随着科技的高速发展，老年人的生活用品已越来越丰富。现今，国内外已有很多专门适用于老年人的产品，如：急救药袋、定时提醒药盒等。但这些产品大都缺少一些如今老年人急需的功能，使得老年人在无法进行自救时不能得到快速有效的帮助与治疗。针对现有老年产品的不足和缺点，依据定位技术、无线传输技术、传感器技术、计算机通讯以及单片机科技，设计了一种新型智能拐杖，该设计实时监控老人的体温及心律，还具有照明功能方便在暗光条件下使用，同时，在发生意外情况时可以准确定位老人的位置，通过拐杖一键救助功能及时得到救助。

1.3研究内容

看到拐杖，或者你马上会想到那是老人用的东西；或者你也会想起别具魅力的丘吉尔和幽默大师卓别林深入人心的形象；或者还有其它各种各样的联想。不过无论怎样，当我们追溯拐杖悠久的历史和文化内涵时，都不得不承认手杖---这一看似“另类”的东西早已融入我们的生活了。

今天，拐杖的种类和制作取材形形色色，其中以竹、木制为最多。中国人喜欢用竹杖，它轻巧而富于弹性。其他拐杖有藤、紫檀、红木、黄杨、降龙木、牛角、牙、骨、金属等。据说，阴沉木手杖最为珍稀，阴沉木是木材因地壳变动而埋于土中，一般多为杉木“阴沉”而成，做成的拐杖质坚耐用，但存世寥寥，不易找寻。从功能上也有了细分。精美的材料，巧夺天工的雕刻，卓越工艺的制造，越来越人性化和艺术化的设计更让手杖在凝聚功能性当中糅合着极具创造性的心思，似乎也不难理解能与岁月同辉，与时代同步怎能不愈被推崇的原因所在。

但目前市场上存在拐杖主要以一般木质、塑料以及不锈钢为主，由于藤、紫檀、红木、黄杨、降龙木、牛角、牙、骨等制作的拐杖造价成本较高，普通老年人消费不起，因此，大多数老年人主要以普通木质、塑料以及不锈钢为主。根据老年人出行需求以及安全，针对拐杖的多功能化和人性化，我小组在原有拐杖的基础上，结合国内外研究成果，设计了一款集功能于一身的新型多功能拐杖，使老年人生活更加便利。

二、产品介绍
2.1产品名称

智能拐杖

2.2产品功能

1）当老人手握拐杖时，可实时监测老人的温度与心律，并可通过无线方式传送给家人或者医疗机构；

2）可检测到老人的地理为止，并将信息发送给家人，防止由于年老智力退化而引起的迷路等一系列问题；

3）具有手电筒照明功能，方便于在光线较暗的条件下使用；

4) 它可以自由伸缩，以适应不同身高的使用者。

2.3技术特点及优势

本作品综合运用了电子技术、机械技术、传感器技术、物联网技术等，设计了一款物联网技术的智能拐杖。智能拐杖功能，能满足老年人部分需要比如：听音乐、广播、照明、障碍物提示、紧急求救、高低可调，以及实现心率、体温的测量。

无论是作为子女还是设计人员，我们首先考虑的是安全问题，因此加上安全的警报系统是十分必要的。这样，老年人如果身体不适或者遭遇困难时，可以及时将信息反馈给子女或者附近爱心服务站来帮助老人；其次，针对老年人智力退化问题而导致经常性的迷路或者忘记回家的路，如果在拐杖上装上精确的GPS定位装置和智能提示无疑为老人又多了一层保险。

2.4市场分析与预测

近两年市场调研结果显示:我国老年用品市场存在着这样的状况：

一、经营老年产品的企业数量仍然很少，老年人市场供应疲软；

二、产品个性化发展仍需大力开拓；

三、价格方面定位不合理；

四、产品宣传力度仍需加强；

五、品种单一，款式单调又不够新颖，新产品有待开发；

六、老年人用品柜少，太分散；

虽然我国拥有最大的老年人市场，但与发达国家相比，老年产业处于起步阶段，老年人专用产品和服务开发不够。中国老年人用品行业目前只有保健品在服务，市场单一，无差异性。老年产品在开发和引进技术方面无人过问，多为政府以福利形式包办。

对市场分析现状表明，智能拐杖的开发将会丰富老年用品行业市场，满足老年人需求。

2.5竞争优势

本作品在国内尚没有投放市场，仅在外有类似的产品，但是功能不齐全，价格过高，没有大规模推广，竞争力不强，市场集中度很低；本作品新颖轻巧，功能齐全，个性化设计，具有很大的产品差别度；持久性方面，随着我国老年人口地持续增长，产品需求量也将逐渐增加，具有较强的持久性。总的来说，智能手杖的市场进入障碍小，竞争力强，进入市场后，能够迅速扩大规模和市场容量，实现规模经济。

本作品属于电子设备高端产品，技术新颖，市场针对性强，制造简单，一物多能，具有传统单一功能产品无法比拟的优势。

2.6产品开发前景

就中国而言，老年人群体已是不可忽视的大群体，面对日益严重的老龄化问题，老年人存在的问题也不可忽视。要解决严峻的人口老龄化问题，首先要了解老年人有哪些需求，老年人购买商品讲究实用，要求提供良好的服务，在所有需求中老年人对生理和安全健康需求居于首位。本产品设计有脉搏心率传感器很好的解决的安全健康方面的隐患，同时装有GPS定位系统以解决因种种原因在迷路、走失时，给使用者和监护人等提供有效帮助，帮助监护人迅速找到使用者，避免进一步的意外发生。随着社会的发展和生活水平的提高，关心和改善老年人、残疾人和智障人士的生活质量是大势所趋，该项目有广阔的应用前景，具有很好的经济意义和社会意义。

三、系统总体设计方案

智能拐杖的基本工作原理是：利用GPS的卫星定位功能，随时确定使用者的位置，将当前的经纬度信息和预先存储在拐杖里的路径信息进行比较，如果超出预定范围则给出提示信息，帮助使用者回到预定范围；如果超出一定范围，向监护人发送GSM短信息报警、求助，信息内容包括当前的定位信息、时间等；监护人可以随时向智能拐杖发短信查询当前位置；监护人可以通过GPRS与智能拐杖建立网络连接，在地图上显示实时位置和行走轨迹，监控使用者的活动范围，帮助监护人尽快找到使用者。在光线较暗条件下，智能拐杖本身的手电筒就会照明，方便老人出行，还可以自由伸缩，以适应不同身高的使用者。

3.1系统硬件方案的选择
3.1.1系统组成如图
3.1.1

图3.1.1系统组成

3.1.2智能拐杖的基本组成

智能拐杖控制系统由STM32单片机、传感器、GPS定位模块、GSM模块等组成，其中以STM32为核心实现控制，从而确保老人安全。

当脉搏传感器被触发时，将信号传递给单片机，单片机发出报警信号，并通过GSM模块给手机用户发出警示信息。除此之外，老人独自出行，若离开设定的区域也会给手机用户发送信息，遇到各种问题也可以通过求助按键给监护人发送信息，以足够保证老年人人身财产安全。

3.1.3硬件综述

1)单片机

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

硬件特性

1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障；

4、处理功能强，速度快；

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；

6、控制功能强；

7、环境适应能力强。

主要寄存器

A．累加器A

累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

B．数据寄存器DR

数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

C．指令寄存器IR和指令译码器ID

指令包括操作码和操作数。

指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

D．程序计数器PC

PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

E．地址寄存器AR

地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

2）脉搏传感器

脉搏传感器,主要应用在医疗设备下,用来检测类似心率的,一般常见的类型主要是以光电为主,有分立式和一体式两种,发射部份有采用可见光和红外的

压阻式脉搏传感器可由电压或电流驱动产生正比于输入压力的毫伏等级的电压输出信号，具有优异的可重复性和时间稳定性。体积小巧，非常适合于脉率检测、无创心血管功能检测、妊高征检测、中医脉象诊断等领域的集成应用。

传统的脉搏测量方法主要有3种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器是由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人手指上或耳垂上。光源一般采用对动脉血管中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500nm-700nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变换周期就是脉搏率。

3）GSM模块

GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。GSM模块根据提供的数据传输速率又可以分为GPRS模块、EDGE模块、3G模块和纯短信模块。短信模块只支持短信服务。GPRS，可说是GSM的延续。它经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。GPRS的传输速率从56K到114Kbps不等，理论速度最高达171k，实际测试的下传速度在25K左右。相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有更快的访问数据通信速度，GPRS技术还具有在任何时间、任何地点都能实现连接，永远在线、按流量计费等特点。EDGE技术进一步提升了数据传输的速率到270K，被称为"2.75G"，数据传输速率更2倍于GPRS。目前，国内的GSM网络普遍具有GPRS通讯功能，移动和联通的网络都支持GPRS，EDGE也已经在全国范围覆盖。

GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。

GPRS模块区别于传统的纯短信模块，两者都是GSM模块，但是短信模块只能收发短信和语音通讯，而GPRS模块还具有GPRS数据传输功能。

4)GPS模块

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。

它由空间部分、地面控制体统和用户设备部分三部分组成GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR，）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

5）手电筒

LED手电筒：采用超亮的9个5mmLED白灯亮度为13000-15000mcd,使用寿命在1-3万个小时.老人晚上相当于多了一个照明的手电筒，再也不用担心晚上老人看不清路而导致一些不必要的麻烦。

3.2系统软件设计

系统软件包括主程序、采集信息程序、提醒控制程序等，脉搏心率传感器作采集心率脉搏的检测工作，GPS定位作采集老年人活动区域的规范检测工作，手电筒为老人提供照明服务，一键求助按键为老人的安全又加了一层保障。数据的传输选用GSM模块。

四、具体硬件参数4.1单片机采用STM32单片机，ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核；

1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz；

1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；

低功耗，在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA

最大的集成度；

复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等；

4.1.1参数

2V-3.6V供电；

容忍5V的I/O管脚；

优异的安全时钟模式；

带唤醒功能的低功耗模式；

内部RC振荡器；

内嵌复位电路；

工作温度范围：-40°C至+85°C或105°C；

36MHz CPU　多达16K字节SRAM 1x12位ADC温度传感器；

4.1.2性能特点

内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。

调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。

3个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器： STM32F103xC,STM32F103xD, STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。

4.1.3系统作用

1、集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核。和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。

2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。

3、可变静态存储器（FSMC）：FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持四种模式：Flash,RAM,PSRAM,NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。

4、嵌套矢量中断控制器（NVIC）：可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。

5、外部中断/事件控制器（EXTI）：外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

6、时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。

7、Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

8、电源供电方案：VDD ，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。

9、电源管理：设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。

10、电压调节：调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。

11、低功耗模式：STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSE RC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。PLL,HSI和HSE RC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。

4.2传感器

1）脉搏心率传感器

PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将其佩戴于手指、耳垂等处，通过导线连接可将采集到的模拟信号输出给Arduino等单片机用来转换为数字信号，再通过arduino单片机简单计算后得到心率数值，此外还可将脉搏波形上传到电脑上显示波形。PuleseSensor是一款开源硬件，目前，国外官网上已有其对应的arduino程序和上位机Processing程序，适合二次开发

本传感器采用峰值波长为515nm的绿光led灯，型号为AM2520，而光接收器采用了APDS-9008，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为565nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在0.05-200hz之间，信号幅度均很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰。在传感器后面使用了低通滤波器和运放构成运算放大器，将信号放大了331倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2 ，使放大后的信号可以很好的被单片机采集到。

参数说明：

电路板直径：16mm

电路板厚度：1.2mm

Led峰值波长：515mm

供电电压：3.3V或5V均可

输出信号类型：模拟信号

输出信号大小：0-3.3V或0-5V

电流大小：~4ma（5V下）

目前基于PulseSensor传感器搭建心率脉搏测量系统主要有两种方法：

一、有线传输方式

传感器 → 下位机 → 上位机

二、无线传输方式如图4.2.1

图4.2.1无线传输方式

整个脉搏与心率传感器的的结构如图4.2.2

图4.2.2脉搏与心率传感器结构

如图4.2.3，红框中有3 根线，标有s的为模拟信号输出线（最左边）；标有+的为电源输入线（中间）；标有-的为底线（最右边）总结:

S→脉搏信号输出（接单片机AD接口）；

+→5v（或3.3v）电源输入；

-→GND地。

使用时注意事项

1．使用电池供电，可以使用5号电池或者直接使用移动电源供电（内部也是电池）。如果使用笔记本供电，那么就断开交流输入，仅靠笔记本电脑的电池供电，这样可以避开干扰窜入系统。

2．有条件可以使用可调直流稳压电源，使电源输出纯净度得到保证。

3．尽量将系统设计的简单可靠，不要使用大而全的单片机开发系统，防止由于其他器件开闭的瞬间引起电流的变化，导致产生强的干扰进入传感器电源。

4.3 GSM模块SIM900A

SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。

基本特点：

· 双频GSM/GPRS 900/ 1800 MHz

· GPRS (class 10/8)标准

· GPRS（class B）

· 满足GSM（2/2+）标准
–Class 4（2W@850/900MHz）
–Class 1 (1W@1800/1900MHz)

· 尺寸：24 mmx24 mmx3mm

· 重量：3.4g

· 通过AT命令控制（GSM07.07，07.05和增强AT命令）

· SIM应用工具包

· 支持电压范围3.4V...4.5V

· 休眠状态功耗1.5mA

·支持用户定制的MMI和键盘/LCD，SPI/I2C/GPIO/PWM/ADC接口，支持RTC (Real-Time Clock )

·全功能UART接口，天线连接器和天线焊盘

· 内嵌强大的TCP/IP协议栈，支持多IP连接

· 低功耗正常操作温度：-30°C to +80°C

4.4 GPS模块WF-NEO-6M是野火设计的高性能、低功耗GPS定位模块。它采用u-blox公司的NEO-6M模组方案，可以通过串口及USB接口向单片机系统和电脑输出GPS定位信息，使用简单方便。4.5照明模块

照明模块设计了以光敏电阻为主的电路，能够根据光线情况控制电路的开关，可以让老人在天气不好的情况下（比如大雾，夜晚）方便行走，避免在此类条件下有不必要的麻烦，老人也不用为了出行忘带手电筒而烦恼。

表4.5.1WF-NEO-6M模块产品特性

图4.5.3引脚分布

编号	名称	说明
1	VCC	电源线，正常电压范围为：3.3~5V
2	GND	地线
3	TXD	串口数据发送信号线，使用TTL电平
4	RXD	串口数据接收信号线，使用TTL电平
5	PPS	时间脉冲信号线，模块接收到GPS时间信息后，输出可调节的脉冲信号，默认为1Hz

表4.5.2WF-NEO-6M GPS模块引脚说明

五、软件设计具体思路5.1程序流程图如图5.1.1 图5.1.1程序流程图

原理说明：打开电源开关后，单片机上电单片机启动后以扫描方式开始工作。GPS定位系统，脉搏心率传感器、光敏电阻等将检测到的信号传入单片机中，单片机根据这些消息内容控制GSM模块、手电筒、报警器。当老人手握拐杖，各个模块开始工作，GPS模块开始实时监控，当发现老年人所在地超出了已知的区域，单片机马上将信息反馈给GSM模块以短信方式通知手机用户；当单片机检测到求助按钮被按下，GSM模块与手机用户建立连接以便为老人及时提供帮助；当单片机检测到脉搏心率失常时，立马发出警报引起人注意，并与手机用户建立连接为老人及时提供救助，如此反复循环，单片机进入下一个循环周期，继续处理各模块采集到的信号。

六、运行调试设备6.1按电路图检查原件配置情况

按电路图检查控制和控制面板上的元件是否安全，观察各类元件上厂标或索引号、工作电压性质和数值等标志是否符合电路要求。观察各类元件触电以及接线端并用万用表检查元件常开、常闭触点及接触器线圈是否完好。

6.2布线

1）导线绝缘必须良好，并应具有抗腐蚀能力；

2）导线的截面积在能承受最大电流的同时，还应考虑到线路中允许的压降，导线机械强度以及熔芯的配合。

所有导线从一个端子到一个端子的走线必须是连续的，中间不得有接头；对明露导线必须做到平整合理布线。由于明露导线在布线时需固定、绑扎，工作量大且维修不便，目前采用较多的是有齿槽板布线。

6.3接线

所有导线必须牢固、不得松动。导线端子连接头处原则上只能接一条至多两条导线。有些端子不适合连软导线，可在导线端头上采用针形或等冷压接头。导线的线路标志必须与原理图相一致。

6.4通电前检查

1）各个元器件标志、代号是否与原理图相一致，是否齐全；

2）各个安全保护措施是否可靠；

3）控制电路是否满足原理图所需的各个功能；

4）各个电气元件安装是否正确和牢靠；

5）各个接线端子是否连接牢固；

6）布线是否符合要求、齐整；

7）保护电路导线是否连接正确、牢固可靠；

8）电气绝缘电阻是否符合要求；

6.5通电试验

通电前应检查所接电源是否符合要求。通电后应验证电气设备的各个部分运行是否正常和操作顺序是否正常。然后在正常负载下连续运行，同时要验证全部器件的温度不得超过规定的允许温升。

6.5.1分块调试程序

通过程序设置将不同功能的模块分开测试，修改程序，使得程序运行功能符合要求。

6.5.2整体调试程序

通过整体程序的测试，使得程序运行功能符合要求。

七、机遇与风险7.1风险

任何一件产品，都要面对各种各样的考验。必须要能经得起市场的考验，企业才能够生存下去。而我们公司立足于市场的大环境中，所要面临的主要风险有：

A、技术风险

介于国内上千家的嵌入式开发公司的竞争之中,技术将不再是主要的商业壁垒，当我们的产品投放市场后，如果反响好，很快类似的产品便会出现。再者，如果在极其恶劣的环境下，我们的产品性能的稳定性可能就会降低。

B、市场风险

市场处于日新月异的变化当中，其中有黑马异军突起，也有百年企业轰然倒塌。其竞争激烈可见一般，在市场经营中一步不慎便可能全盘皆输。

C、环境风险

市场的需求决定公司的生存能力。但是市场中充满了各种变数，社会大环境，地区小环境都可能使优势企业变成劣势企业。针对此种情况，我们会努力使整个企业管理层，决策层的嗅觉更加敏锐，对环境的变化能够提前预知。使企业顺势而为，顺风而行。

7.2机遇

智能拐杖是未来受众老年群体的必然趋势，中国老龄化日益加重老年人所蕴含的巨大需求，以及目前市场上同类产品的不成熟，这些都给我们的发展带来了巨大的机遇，因此我们有信心相信我们的产品，从而得到长远的发展。我们坚信，我们的智能拐杖能为老年人提供方便，赢得客户的信赖，从而能让人们的生活更加安全和舒适。

八、本产品存在问题与展望

本文在介绍各个传感器的运用，无线通信概念与应用的基础上，研究和探讨了将传感器和无线通信应用到老年人保健领域的背景和可行性，介绍了各个传感器应用实例的硬件设计及代码的编制，并对各个模块功能进行了实验调试，从而实现了交通信息提示的功能，得到较好的效果。

智能拐杖作为老年人系列产品的一员，旨在提高老年人消费品行业的多样化，随着智能化技术的普及与应用，在未来，将会出现越来越多的智能型产品，可以预见，智能型产品将会带领人类家居市场进入一个更便利的时代。

本设计还存在以下不足：

1）通过对硬件和软件的优化进一步降低整个产品的功耗；

2）产品拓展性有待增强，以提高其实用性和便携性；

3）对于用户的操作体验还有所欠缺考虑。在以后，应从产品的外观、质量、包装上作出改进，以提高用户体验。

以上有望在以后的学习工作中完成、实现。

九、结论

根据以上设计，制作了智能拐杖样机。通过对样机的测试，主要实现了如下功能：

1)卫星定位功能，监护人可随时确定使用者的具体位置；

2)偏离提示和求助功能，在使用者偏离预定路线时给予主动提示，必要时呼叫监护人，发出求助信息；

3)拐杖呼救功能，在使用者摔倒或者其他突发时间，可以主动向监护人发送求救信息；

4)监护人可以通过监控使用者的活动轨迹，实现连续实时定位；

5）照明功能，为了方便老人在光线较暗的条件下出行。

本项目推广应用后，可以解决老年人、残疾人和智障人士因种种原因在迷路、走失时，给使用者和监护人等提供有效帮助，帮助监护人迅速找到使用者，避免进一步的意外发生。随着社会的发展和生活水平的提高，关心和改善老年人、残疾人和智障人士的生活质量是大势所趋，该项目有广阔的应用前景，具有很好的经济意义和社会意义。相信在不就的将来，老年智能手杖将称为老年用品市场的一道靓丽的风景线，成为老年人用户不可或缺的贴心伴侣。

附录1 实物展示图

图10.1 整体外观 1.017.jpg

图10.2手电筒照明系统

图10.3核心电路板 1.019.jpg

图10.4 GPRS SIM900

图10.5 GPS定位系统

附录2源程序

/**
  * @brief  nmea_decode_test 解码GPS模块信息
  * @param  无
  * @retval 无
  */
nmeaINFO info;       //GPS解码后得到的信息
nmeaPARSER parser;    //解码时使用的数据结构
int8_t new_parse=0; //是否有新的解码数据标志
nmeaTIME beiJingTime; //北京时间
float tp,tb;
void nmea_init(void)
{
nmea_property()->trace_func = &trace;
nmea_property()->error_func = &error;
/* 初始化GPS数据结构 */
nmea_zero_INFO(&info);
nmea_parser_init(&parser);
}
void nmea_decode_test(void)
{
/* 设置用于输出调试信息的函数 */
//while(1){

   if(GPS_HalfTransferEnd)    /* 接收到GPS_RBUFF_SIZE一半的数据 */
   {
      /* 进行nmea格式解码 */
   nmea_parse(&parser, (const char*)&gps_rbuff[0], HALF_GPS_RBUFF_SIZE, &info);
   GPS_HalfTransferEnd = 0; //清空标志位
   new_parse = 1;          //设置解码消息标志
   }
   else if(GPS_TransferEnd) /* 接收到另一半数据 */
   {
      nmea_parse(&parser, (const char*)&gps_rbuff[HALF_GPS_RBUFF_SIZE], HALF_GPS_RBUFF_SIZE, &info);
      GPS_TransferEnd = 0;
      new_parse =1;
   }
   if(new_parse ) //有新的解码消息
   {
      /* 对解码后的时间进行转换，转换成北京时间 */
      GMTconvert(&info.utc,&beiJingTime,8,1);
      tp=info.lon+36.962;tb=info.lat+6.637;
      /* 输出解码得到的信息 */
      printf("时间%d,%d,%d,%d,%d,%d", beiJingTime.year+1900, beiJingTime.mon+1,beiJingTime.day,beiJingTime.hour,beiJingTime.min,beiJingTime.sec);
   printf("纬度：%f,经度%f",info.lat,info.lon);
   printf("正在使用的卫星：%d,可见卫星：%d",info.satinfo.inuse,info.satinfo.inview);
   printf("海拔高度：%f 米 ", info.elv);
   printf("速度：%f km/h ", info.speed);
   printf("航向：%f 度", info.direction);
         new_parse = 0;
   }

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基于单片机物联网的智能拐杖设计文档

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